JP3017333B2 - 高感度撮像デバイス - Google Patents
高感度撮像デバイスInfo
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- JP3017333B2 JP3017333B2 JP3213946A JP21394691A JP3017333B2 JP 3017333 B2 JP3017333 B2 JP 3017333B2 JP 3213946 A JP3213946 A JP 3213946A JP 21394691 A JP21394691 A JP 21394691A JP 3017333 B2 JP3017333 B2 JP 3017333B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はテレビジョンカメラ用撮
像デバイスなどのイメ−ジセンサに係わるもので、特に
電子像増倍を行って、極めて暗い被写体でも撮像を可能
とした高感度の撮像デバイスに関するものである。
像デバイスなどのイメ−ジセンサに係わるもので、特に
電子像増倍を行って、極めて暗い被写体でも撮像を可能
とした高感度の撮像デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、撮像デバイスの高感度化を図る方
法として、撮像デバイスの感光面の前にイメ−ジインテ
ンシファイア管（以下、ＩＩ管という）を配置するもの
がある。すなわち、撮像しようとする被写体をＩＩ管に
よって輝度増倍し、これを撮像デバイス入力像とするこ
とで高感度化を行うものである。そのためには、ＩＩ管
の出力像を撮像デバイスの感光面まで正しく伝達する必
要があり、この目的のため通常はＩＩの出力面と撮像デ
バイスの入力面にそれぞれファイバ−プレ−トを用いて
いる。例えば図７のように電界（集束）型ＩＩ管と、フ
ァイバ−プレ−トを受光面に用いた光導電型撮像管（例
えば、サチコン、カルニコン、ニュ−ビコン）とを結合
したものを撮像デバイスとして用いたカラ−テレビジョ
ンカメラでは、通常のカラ−テレビジョンカメラより５
〜１５倍の高感度が得られている（大西、山下：ＩＩ付
きサチコン小型高感度カメラ、ＮＨＫ技研月報ＶｏＬ．
２４、Ｎｏ．１、１９８１；井上、相原：イメ−ジイン
テンシファイア付きカルニコンの撮像特性、１９７４年
テレビ学会全大２−２；山本：ファイバ−プレ−ト付き
ニュ−ビコン、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｒｅｐｏｒｔ、ＶｏＬ．２５、Ｎｏ．２、１９７
９）。さらに、図８に示すように近接（集束）ＩＩ管を
用いて、高感度化に加え小型化と画像の歪みの除去を図
った例もある（河村、柳沢：近接型光電面技術の開発と
イメ−ジインテンシファイアへの応用、テレビジョン学
会誌ＶｏＬ．３６、Ｎｏ．３、１９８２）。
法として、撮像デバイスの感光面の前にイメ−ジインテ
ンシファイア管（以下、ＩＩ管という）を配置するもの
がある。すなわち、撮像しようとする被写体をＩＩ管に
よって輝度増倍し、これを撮像デバイス入力像とするこ
とで高感度化を行うものである。そのためには、ＩＩ管
の出力像を撮像デバイスの感光面まで正しく伝達する必
要があり、この目的のため通常はＩＩの出力面と撮像デ
バイスの入力面にそれぞれファイバ−プレ−トを用いて
いる。例えば図７のように電界（集束）型ＩＩ管と、フ
ァイバ−プレ−トを受光面に用いた光導電型撮像管（例
えば、サチコン、カルニコン、ニュ−ビコン）とを結合
したものを撮像デバイスとして用いたカラ−テレビジョ
ンカメラでは、通常のカラ−テレビジョンカメラより５
〜１５倍の高感度が得られている（大西、山下：ＩＩ付
きサチコン小型高感度カメラ、ＮＨＫ技研月報ＶｏＬ．
２４、Ｎｏ．１、１９８１；井上、相原：イメ−ジイン
テンシファイア付きカルニコンの撮像特性、１９７４年
テレビ学会全大２−２；山本：ファイバ−プレ−ト付き
ニュ−ビコン、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｒｅｐｏｒｔ、ＶｏＬ．２５、Ｎｏ．２、１９７
９）。さらに、図８に示すように近接（集束）ＩＩ管を
用いて、高感度化に加え小型化と画像の歪みの除去を図
った例もある（河村、柳沢：近接型光電面技術の開発と
イメ−ジインテンシファイアへの応用、テレビジョン学
会誌ＶｏＬ．３６、Ｎｏ．３、１９８２）。
【０００３】一層の高感度化を図る場合は、ＩＩ管を多
段結合とするもの、あるいは、ＭＣＰ（マイクロチャン
ネルプレ−ト）を内蔵して電子像増倍を行うＩＩ管を用
いるものもある。これらの手法を固体撮像素子の高感度
化に適用した例もある。図９のように固体撮像素子ＣＣ
Ｄの感光層の前面にファイバ−プレ−トを密着して貼り
付け、これに近接型ＩＩ管を結合したもので、ＣＣＤ素
子単体のものに比べると数１０倍の感度を得ることがで
きる（藤田ほか：超高感度ハンディカメラ用撮像素子と
その構成、１９８７年テレビジョン学会全大２−１）。
段結合とするもの、あるいは、ＭＣＰ（マイクロチャン
ネルプレ−ト）を内蔵して電子像増倍を行うＩＩ管を用
いるものもある。これらの手法を固体撮像素子の高感度
化に適用した例もある。図９のように固体撮像素子ＣＣ
Ｄの感光層の前面にファイバ−プレ−トを密着して貼り
付け、これに近接型ＩＩ管を結合したもので、ＣＣＤ素
子単体のものに比べると数１０倍の感度を得ることがで
きる（藤田ほか：超高感度ハンディカメラ用撮像素子と
その構成、１９８７年テレビジョン学会全大２−１）。
【０００４】さらに図１０に示すように、ＭＣＰを内蔵
させて、一層の高感度化を行った例もある（安藤ほか：
ＭＣＰ−ＩＩ超高感度ハンディカメラの開発、１９８８
年テレビジョン学会全大３−１０）。
させて、一層の高感度化を行った例もある（安藤ほか：
ＭＣＰ−ＩＩ超高感度ハンディカメラの開発、１９８８
年テレビジョン学会全大３−１０）。
【０００５】ＩＩ管を付加することによって撮像デバイ
スの高感度化を図る方法は、現在も多用されているが、
この方法での大きな問題点は、ＩＩ管と撮像デバイスの
結合手段として用いられるファイバ−プレ−トによる画
質劣化である。この悪影響を除去あるいは軽減するため
に、本願出願者らは、図１１のように固体撮像素子をＩ
Ｉ管に内蔵させる方法を既に提案している（特開平１−
２９０３８３、特開平１−２９０３８４）。また、本発
明と類似した形として、図１２に示すように、光電面を
有するイメ−ジ管にＣＣＤのような固体撮像素子を封じ
込む例がある。この例はＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉ
ｅｄ Ｃｈａｒｇｅ ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）と
称するもので、２０ＫＶの加速電圧によって２，５００
倍の高感度が得られるとしているが、未だ、実用化され
たものではない（Ｊ．Ｌ．Ｌｏｗｒａｎｃｅ ｅｔ．ａ
ｌ．：ＩＣＣＤ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｔ Ｐｒ
ｉｎｃｅｔｏｎ，Ａｄｖ．Ｅ．Ｅ．Ｐ．，Ｖｏｌ．５
２，ｐ．ｐ．４４１〜４５２，１９７９）。この原因と
して、イメ−ジ管内に封じ込まれたＣＣＤ感光面部に、
イメ−ジ管の真空排気中における光電面製作時にアルカ
リ金属が付着することにより、直接的には解像度低下あ
るいは徐々にＣＣＤの性能が劣化し、実験的なデ−タ程
度は得られるにしても、動作寿命が短く実用化に至らな
いものと考えられる。
スの高感度化を図る方法は、現在も多用されているが、
この方法での大きな問題点は、ＩＩ管と撮像デバイスの
結合手段として用いられるファイバ−プレ−トによる画
質劣化である。この悪影響を除去あるいは軽減するため
に、本願出願者らは、図１１のように固体撮像素子をＩ
Ｉ管に内蔵させる方法を既に提案している（特開平１−
２９０３８３、特開平１−２９０３８４）。また、本発
明と類似した形として、図１２に示すように、光電面を
有するイメ−ジ管にＣＣＤのような固体撮像素子を封じ
込む例がある。この例はＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉ
ｅｄ Ｃｈａｒｇｅ ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）と
称するもので、２０ＫＶの加速電圧によって２，５００
倍の高感度が得られるとしているが、未だ、実用化され
たものではない（Ｊ．Ｌ．Ｌｏｗｒａｎｃｅ ｅｔ．ａ
ｌ．：ＩＣＣＤ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｔ Ｐｒ
ｉｎｃｅｔｏｎ，Ａｄｖ．Ｅ．Ｅ．Ｐ．，Ｖｏｌ．５
２，ｐ．ｐ．４４１〜４５２，１９７９）。この原因と
して、イメ−ジ管内に封じ込まれたＣＣＤ感光面部に、
イメ−ジ管の真空排気中における光電面製作時にアルカ
リ金属が付着することにより、直接的には解像度低下あ
るいは徐々にＣＣＤの性能が劣化し、実験的なデ−タ程
度は得られるにしても、動作寿命が短く実用化に至らな
いものと考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＩＩ管を付加すること
によって撮像デバイスの高感度化を図るための従来の技
術において、ＩＩ管の出力像を撮像デバイスの感光面上
に光学的に移すためのファイバ−プレ−トの使用は、そ
の有する特性に起因して、得られる画像の画質を著しく
劣化させる。すなわち、７０％前後の透過率による光学
損失、オプティカルファイバ−のサンプリングによる解
像度劣化、ファ−バ−プレ−ト製作中に生ずる個々のフ
ァイバ−の断線や失透による画面でのキズやむらの発
生、ファイバ−のねじれやずれによる像歪みの発生など
があり、ファイバ−プレ−トの除去が課題である。ま
た、もう一つの課題は、蛍光面の粒状性による画質の劣
化である。ＩＩ管の出力面として、蛍光面は必須のもの
であるが、蛍光体そのものの粒状性は避けることが出来
ず、これを微細化すると蛍光面輝度が低下するため限度
がある。蛍光面を用いた光学的な出力とせず、直接に電
気信号として取り出せば蛍光面の除去も可能となる。
によって撮像デバイスの高感度化を図るための従来の技
術において、ＩＩ管の出力像を撮像デバイスの感光面上
に光学的に移すためのファイバ−プレ−トの使用は、そ
の有する特性に起因して、得られる画像の画質を著しく
劣化させる。すなわち、７０％前後の透過率による光学
損失、オプティカルファイバ−のサンプリングによる解
像度劣化、ファ−バ−プレ−ト製作中に生ずる個々のフ
ァイバ−の断線や失透による画面でのキズやむらの発
生、ファイバ−のねじれやずれによる像歪みの発生など
があり、ファイバ−プレ−トの除去が課題である。ま
た、もう一つの課題は、蛍光面の粒状性による画質の劣
化である。ＩＩ管の出力面として、蛍光面は必須のもの
であるが、蛍光体そのものの粒状性は避けることが出来
ず、これを微細化すると蛍光面輝度が低下するため限度
がある。蛍光面を用いた光学的な出力とせず、直接に電
気信号として取り出せば蛍光面の除去も可能となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、これらの問題
点を解決するために、ファイバ−プレ−トを除去して、
固体撮像素子をＩＩ管に内蔵する構成にするとともに、
先に提案した特開平１−２９０３８３、特開平１−２９
０３８４における撮像デバイスに残されたもう一つの問
題点である、蛍光面の粒状性による画質の劣化を解決す
るため、蛍光面を除去し、固体撮像素子上に、両端面を
正孔、あるいは電子阻止層で覆った電荷増倍層を積層し
たことを特徴とするものであり、同時に、この電荷増倍
層の積層により、前述した固体撮像素子本体へのアルカ
リ金属の影響を解決したものである。
点を解決するために、ファイバ−プレ−トを除去して、
固体撮像素子をＩＩ管に内蔵する構成にするとともに、
先に提案した特開平１−２９０３８３、特開平１−２９
０３８４における撮像デバイスに残されたもう一つの問
題点である、蛍光面の粒状性による画質の劣化を解決す
るため、蛍光面を除去し、固体撮像素子上に、両端面を
正孔、あるいは電子阻止層で覆った電荷増倍層を積層し
たことを特徴とするものであり、同時に、この電荷増倍
層の積層により、前述した固体撮像素子本体へのアルカ
リ金属の影響を解決したものである。
【０００８】
【作用】被写体は光電面上に光学的に結像され、この光
電面からは入力像の明暗に応じて光電子が放出される。
この光電子流は対向電極である電荷増倍層部に、磁界、
電界、近接の何れかの集束作用を受けてフォ−カスされ
るが、同時に高い直流電圧で加速されエネルギ−を得
て、電荷増倍層に突入する。この電荷増倍層は前述のご
とくその両端面が電子あるいは正孔の阻止層で覆われて
おり、阻止型動作を行うことを基本とする。以下、電荷
増倍層の両端の電荷注入阻止層のうち、固体撮像素子側
を阻止層Ｉ、導電膜側を阻止層ＩＩと呼ぶ。入射した光
電子は、その高いエネルギ−のゆえに多くの信号電荷を
発生し、結果として、この撮像デバイスは極めて高い感
度を示し、かつ上記阻止型動作により暗電流が少なく、
安定な動作特性をもち、またファイバ−プレ−トおよび
蛍光面を用いないため優れた画質が得られる。
電面からは入力像の明暗に応じて光電子が放出される。
この光電子流は対向電極である電荷増倍層部に、磁界、
電界、近接の何れかの集束作用を受けてフォ−カスされ
るが、同時に高い直流電圧で加速されエネルギ−を得
て、電荷増倍層に突入する。この電荷増倍層は前述のご
とくその両端面が電子あるいは正孔の阻止層で覆われて
おり、阻止型動作を行うことを基本とする。以下、電荷
増倍層の両端の電荷注入阻止層のうち、固体撮像素子側
を阻止層Ｉ、導電膜側を阻止層ＩＩと呼ぶ。入射した光
電子は、その高いエネルギ−のゆえに多くの信号電荷を
発生し、結果として、この撮像デバイスは極めて高い感
度を示し、かつ上記阻止型動作により暗電流が少なく、
安定な動作特性をもち、またファイバ−プレ−トおよび
蛍光面を用いないため優れた画質が得られる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明による実施例を図面に基づき説
明する。
明する。
【００１０】本発明の基本的な構成と第１実施例を図１
に示す。本発明は、図１からも明らかなように、図７か
ら図１１に見られる従来の方法と異なり、ファイバ−プ
レ−トおよび蛍光面を使用せずＩＩ管と固体撮像素子を
一体化して、ＩＩ型固体撮像デバイスとしたものであ
る。図に従って構成を説明すると、先ず例えばＭＯＳ型
ＡＭＩ固体撮像素子の感光層上に、電子あるいは正孔阻
止層Ｉを形成する。電子阻止層として、例えばスパッタ
法によるアモルファスＳｉＣやＳｉ3 Ｎ4 蒸着膜あるい
はプラズマＣＶＤ法によるアモルファスＳｉ：Ｎ：Ｈ膜
がよく、その膜厚は１０〜１０００オングストロームで
ある。膜厚が薄過ぎると本来の阻止効果が得られず、１
０００オングストロームを越えると信号の無効損失が大
きくなること、また焼付きなどの欠点を生ずる場合があ
るため最適の範囲がある。この阻止層Ｉ上に電荷増倍層
を０．２〜１０μｍの厚さで積層する。増倍層は、その
厚さ０．２μｍ未満では、増倍度が低く、また入射する
電子の加速電圧を高くすると、電子が電荷増倍層を突き
抜けて、固体撮像素子を損傷させる恐れがある。厚さが
１０μｍを越えると、製作上の困難さが出てきて歩留り
が悪くなり、また、入射電子の衝撃によって生じた信号
電荷の増倍層内での走行への影響が現れて、焼付などを
生じて好ましくない。電荷増倍層としては、プラズマＣ
ＶＤ法によるアモルファスＳｉ、あるいは、その製作中
に水素（Ｈ2 ）を導入して、Ｓｉの未結合手を埋めてア
モルファスＳｉ：Ｈとしたもの、あるいは、さらに微量
のボロン（Ｂ）をド−プして、アモルファスＳｉ：Ｈ：
Ｂとしたものが用いられる。後２者は、何れもアモルフ
ァスＳｉ膜の特性を改善し得るもので、このデバイスを
動作させたとき、残像特性、解像特性のより良好なもの
が得られる。また、アモルファスＳｉの製作法はプラズ
マＣＶＤ法に限らず、例えばＥＣＲ法、ＩＣＢ法、スパ
ッタ法等によっても可能である。つぎに、この電荷増倍
層上に、さらに正孔または電子阻止層ＩＩを形成する。
正孔阻止層として、例えば真空蒸着法またはスパッタ法
で形成するＣｅＯ2、ＧｅＯ2 膜あるいはスパッタ法で
形成するＳｉ3 Ｎ4 膜あるいはプラズマＣＶＤ法で形成
するアモルファスＳｉＮ膜が良く、その膜厚は、前述の
阻止層Ｉと同様の理由から１０〜１０００オングストロ
ームである。これらの阻止層Ｉ−電荷増倍層−阻止層Ｉ
Ｉの積層膜上に電圧印加電極用として、導電膜を５０〜
１０００オングストローム設ける。この導電膜は入射す
る光電子流をなるべく損失なく透過させる金属膜であれ
ばよく、通常用いられる、蒸着Ａｌ膜で十分であるが、
ＩＩ管製作に先立って電荷増倍層などを積層した固体撮
像素子部をあらかじめ光学的に検査し得る長所を得るた
め、一般にネサと呼ばれる透明金属薄膜を使用すること
も可能である。導電膜の厚さは、薄すぎると均一性、一
様性が悪くなって、抵抗値が高くなり、導電膜としての
特性が劣化する。また、１０００オングストロームを越
えると、電子透過率が悪くなって、信号損失分が大きく
なり、高い増倍度が得られない。このように阻止層Ｉ、
電荷増倍層、阻止層ＩＩ、導電膜を積層した固体撮像素
子を、図１のように光電面部と共にＩＩ管として組み上
げ、真空排気しつつ光電面を形成した後、真空封止し
て、ＩＩ型固体撮像素子としたものである。
に示す。本発明は、図１からも明らかなように、図７か
ら図１１に見られる従来の方法と異なり、ファイバ−プ
レ−トおよび蛍光面を使用せずＩＩ管と固体撮像素子を
一体化して、ＩＩ型固体撮像デバイスとしたものであ
る。図に従って構成を説明すると、先ず例えばＭＯＳ型
ＡＭＩ固体撮像素子の感光層上に、電子あるいは正孔阻
止層Ｉを形成する。電子阻止層として、例えばスパッタ
法によるアモルファスＳｉＣやＳｉ3 Ｎ4 蒸着膜あるい
はプラズマＣＶＤ法によるアモルファスＳｉ：Ｎ：Ｈ膜
がよく、その膜厚は１０〜１０００オングストロームで
ある。膜厚が薄過ぎると本来の阻止効果が得られず、１
０００オングストロームを越えると信号の無効損失が大
きくなること、また焼付きなどの欠点を生ずる場合があ
るため最適の範囲がある。この阻止層Ｉ上に電荷増倍層
を０．２〜１０μｍの厚さで積層する。増倍層は、その
厚さ０．２μｍ未満では、増倍度が低く、また入射する
電子の加速電圧を高くすると、電子が電荷増倍層を突き
抜けて、固体撮像素子を損傷させる恐れがある。厚さが
１０μｍを越えると、製作上の困難さが出てきて歩留り
が悪くなり、また、入射電子の衝撃によって生じた信号
電荷の増倍層内での走行への影響が現れて、焼付などを
生じて好ましくない。電荷増倍層としては、プラズマＣ
ＶＤ法によるアモルファスＳｉ、あるいは、その製作中
に水素（Ｈ2 ）を導入して、Ｓｉの未結合手を埋めてア
モルファスＳｉ：Ｈとしたもの、あるいは、さらに微量
のボロン（Ｂ）をド−プして、アモルファスＳｉ：Ｈ：
Ｂとしたものが用いられる。後２者は、何れもアモルフ
ァスＳｉ膜の特性を改善し得るもので、このデバイスを
動作させたとき、残像特性、解像特性のより良好なもの
が得られる。また、アモルファスＳｉの製作法はプラズ
マＣＶＤ法に限らず、例えばＥＣＲ法、ＩＣＢ法、スパ
ッタ法等によっても可能である。つぎに、この電荷増倍
層上に、さらに正孔または電子阻止層ＩＩを形成する。
正孔阻止層として、例えば真空蒸着法またはスパッタ法
で形成するＣｅＯ2、ＧｅＯ2 膜あるいはスパッタ法で
形成するＳｉ3 Ｎ4 膜あるいはプラズマＣＶＤ法で形成
するアモルファスＳｉＮ膜が良く、その膜厚は、前述の
阻止層Ｉと同様の理由から１０〜１０００オングストロ
ームである。これらの阻止層Ｉ−電荷増倍層−阻止層Ｉ
Ｉの積層膜上に電圧印加電極用として、導電膜を５０〜
１０００オングストローム設ける。この導電膜は入射す
る光電子流をなるべく損失なく透過させる金属膜であれ
ばよく、通常用いられる、蒸着Ａｌ膜で十分であるが、
ＩＩ管製作に先立って電荷増倍層などを積層した固体撮
像素子部をあらかじめ光学的に検査し得る長所を得るた
め、一般にネサと呼ばれる透明金属薄膜を使用すること
も可能である。導電膜の厚さは、薄すぎると均一性、一
様性が悪くなって、抵抗値が高くなり、導電膜としての
特性が劣化する。また、１０００オングストロームを越
えると、電子透過率が悪くなって、信号損失分が大きく
なり、高い増倍度が得られない。このように阻止層Ｉ、
電荷増倍層、阻止層ＩＩ、導電膜を積層した固体撮像素
子を、図１のように光電面部と共にＩＩ管として組み上
げ、真空排気しつつ光電面を形成した後、真空封止し
て、ＩＩ型固体撮像素子としたものである。
【００１１】次に、図１の撮像デバイスの動作を説明す
る。被写体は、光電面上に結像され、この光電面から
は、入力像の明暗に応じて光電子が放出される。光電子
流は、ＩＩ管内の電極によって形成される電子レンズ系
によって導電膜上に集束されると同時に、光電面と導電
膜間に印加する数ＫＶ〜１５ＫＶ程度の高い直流電圧に
よって加速され、導電膜と電荷注入阻止層ＩＩを通過し
て、電荷増倍層内に入射する。電荷増倍層内に入射した
光電子流は層内で多数の正孔−電子の対を発生、いわゆ
る電子衝撃による増倍作用を示す。この増倍した信号電
荷を阻止層Ｉを通じて固体撮像素子に導き、高感度の撮
像デバイスとして動作させるものである。本願出願者
は、例えば図２に示す具体的な構成で、すでに図３のよ
うな高い感度の動作例を得ており、図２に基づいて、さ
らに詳細に説明する。ここでは、固体撮像素子としてＭ
ＯＳ型の一種である内部増幅型ＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉ
ｅｄＭＯＳ Ｉｍａｇｅｒ）を用いて、その上に阻止層
Ｉ−電荷増倍層−阻止層ＩＩ−導電膜を構成している。
導電膜のＡｌ膜には正電圧を印加しているので、阻止層
ＩＩは、Ａｌ膜からの正孔注入を阻止する正孔阻止層と
している。また、電荷増倍層内で光電子流の衝撃により
多数発生した正孔−電子対の内、電子はＡｌ膜側に流
れ、正孔が信号電荷分としてＡＭＩ側に流れる。この場
合の阻止層ＩはＡＭＩ側から電荷増倍層側への電子注入
を阻止する役目を有するもので、この結果、この電荷増
倍層は阻止型動作を行い、不必要な正孔、電子の注入を
その両端面で阻止して、暗電流が極めて小さく、高感度
動作のもとでも良好な画質が得られる。図３に見られる
ように光電子流の加速電圧によって増倍率が異なるが、
例えば加速電圧１１ＫＶで６５０倍という高い値が得ら
れている。加速電圧を増し、電荷増倍層の膜厚をさらに
増せば、一層高感度化が得られるが、前述のように最適
の膜厚範囲がある。
る。被写体は、光電面上に結像され、この光電面から
は、入力像の明暗に応じて光電子が放出される。光電子
流は、ＩＩ管内の電極によって形成される電子レンズ系
によって導電膜上に集束されると同時に、光電面と導電
膜間に印加する数ＫＶ〜１５ＫＶ程度の高い直流電圧に
よって加速され、導電膜と電荷注入阻止層ＩＩを通過し
て、電荷増倍層内に入射する。電荷増倍層内に入射した
光電子流は層内で多数の正孔−電子の対を発生、いわゆ
る電子衝撃による増倍作用を示す。この増倍した信号電
荷を阻止層Ｉを通じて固体撮像素子に導き、高感度の撮
像デバイスとして動作させるものである。本願出願者
は、例えば図２に示す具体的な構成で、すでに図３のよ
うな高い感度の動作例を得ており、図２に基づいて、さ
らに詳細に説明する。ここでは、固体撮像素子としてＭ
ＯＳ型の一種である内部増幅型ＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉ
ｅｄＭＯＳ Ｉｍａｇｅｒ）を用いて、その上に阻止層
Ｉ−電荷増倍層−阻止層ＩＩ−導電膜を構成している。
導電膜のＡｌ膜には正電圧を印加しているので、阻止層
ＩＩは、Ａｌ膜からの正孔注入を阻止する正孔阻止層と
している。また、電荷増倍層内で光電子流の衝撃により
多数発生した正孔−電子対の内、電子はＡｌ膜側に流
れ、正孔が信号電荷分としてＡＭＩ側に流れる。この場
合の阻止層ＩはＡＭＩ側から電荷増倍層側への電子注入
を阻止する役目を有するもので、この結果、この電荷増
倍層は阻止型動作を行い、不必要な正孔、電子の注入を
その両端面で阻止して、暗電流が極めて小さく、高感度
動作のもとでも良好な画質が得られる。図３に見られる
ように光電子流の加速電圧によって増倍率が異なるが、
例えば加速電圧１１ＫＶで６５０倍という高い値が得ら
れている。加速電圧を増し、電荷増倍層の膜厚をさらに
増せば、一層高感度化が得られるが、前述のように最適
の膜厚範囲がある。
【００１２】本発明の実施例２は、図４に示すように光
電面−導電膜間に近接集束を用いたものである。近接型
ＩＩは画面周辺まで歪みがほとんどない特長を有し、Ｉ
Ｉとしても小型にできる利点がある。この近接ＩＩでの
光電面製作は、本願発明者の開発した近接型光電面製作
技術を用いることによって容易に達成できる（特公昭５
３−３５４１１号参照）。また、この近接型とする場合
には、光電面を透過してくる入射光が反射して再び光電
面に戻ることで生ずるフレア現象を軽減するため、導電
膜そのものを黒色の光吸収膜とするか、あるいは導電膜
上に反射防止層を設けるのがよく、これはアルミニウム
（Ａｌ）のアルゴンガス中での低真空蒸着やカ−ボンの
スパッタ蒸着によって形成されるもので周知の技術であ
る。
電面−導電膜間に近接集束を用いたものである。近接型
ＩＩは画面周辺まで歪みがほとんどない特長を有し、Ｉ
Ｉとしても小型にできる利点がある。この近接ＩＩでの
光電面製作は、本願発明者の開発した近接型光電面製作
技術を用いることによって容易に達成できる（特公昭５
３−３５４１１号参照）。また、この近接型とする場合
には、光電面を透過してくる入射光が反射して再び光電
面に戻ることで生ずるフレア現象を軽減するため、導電
膜そのものを黒色の光吸収膜とするか、あるいは導電膜
上に反射防止層を設けるのがよく、これはアルミニウム
（Ａｌ）のアルゴンガス中での低真空蒸着やカ−ボンの
スパッタ蒸着によって形成されるもので周知の技術であ
る。
【００１３】実施例３は、Ｘ線蛍光増倍管に本発明を適
用した例である。このようなＸ線、赤外線、紫外線など
の不可視像を可視像に変換するイメ−ジコンバ−タ−管
では、不可視光に感度を有する光電面を用いたり、ある
いは例えば図５に示すようにＸ線用蛍光面で一旦受けて
から、その発光を光電面に入射させて光電子流に変換す
る。通常は、この光電子流を電子レンズ系で出力蛍光面
上に集束させ、その出力像を直接観測したり、あるいは
再撮像によってテレビ映像を得たりする。一般に不可視
光像は極めて微弱なものが多く、変換された光電子流も
微弱なため、良好な画像を得るためには、加速電圧を高
くして蛍光面での輝度増倍を高くする必要があり、電子
レンズ系による像の縮小での輝度増強も併用するなど
の、手段をとるが、管自体が大きくなることや、耐電圧
の問題もあって、十分な増倍度は得られにくい。本発明
を適用してこの出力蛍光面部を電荷増倍層積層型固体撮
像素子とすれば、電気出力信号を直接取り出すことがで
き、高画質の明るい出力像を容易に得ることできる。
用した例である。このようなＸ線、赤外線、紫外線など
の不可視像を可視像に変換するイメ−ジコンバ−タ−管
では、不可視光に感度を有する光電面を用いたり、ある
いは例えば図５に示すようにＸ線用蛍光面で一旦受けて
から、その発光を光電面に入射させて光電子流に変換す
る。通常は、この光電子流を電子レンズ系で出力蛍光面
上に集束させ、その出力像を直接観測したり、あるいは
再撮像によってテレビ映像を得たりする。一般に不可視
光像は極めて微弱なものが多く、変換された光電子流も
微弱なため、良好な画像を得るためには、加速電圧を高
くして蛍光面での輝度増倍を高くする必要があり、電子
レンズ系による像の縮小での輝度増強も併用するなど
の、手段をとるが、管自体が大きくなることや、耐電圧
の問題もあって、十分な増倍度は得られにくい。本発明
を適用してこの出力蛍光面部を電荷増倍層積層型固体撮
像素子とすれば、電気出力信号を直接取り出すことがで
き、高画質の明るい出力像を容易に得ることできる。
【００１４】一般に極微少時間の現象を観測する場合、
入力光も極めて微少な場合が多い。図６は実施例４を説
明するもので、このような現象がパルス的な電気信号で
あるとき、電子銃からの電子ビ−ムとして入力させ、こ
れを偏向することで、微少時間内の信号変動を捉えるも
ので、例えば、高速現象用ブラウン管がある。また、こ
の電子銃部を光電面に置き換えることで、いわゆるスト
リ−ク管になる。また、実施例１から４については何れ
も電荷増倍層積層型固体撮像素子の入力面（導電膜）の
前に、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレ−ト）を設ける
ことで、導電膜への入力電流そのものを増倍して、より
一層の高感度化を果すことが可能であるが、画質的には
ＭＣＰによるサンプリングや増倍むら、ＭＣＰ自身のキ
ズなどの影響を受けてかなり劣化する。
入力光も極めて微少な場合が多い。図６は実施例４を説
明するもので、このような現象がパルス的な電気信号で
あるとき、電子銃からの電子ビ−ムとして入力させ、こ
れを偏向することで、微少時間内の信号変動を捉えるも
ので、例えば、高速現象用ブラウン管がある。また、こ
の電子銃部を光電面に置き換えることで、いわゆるスト
リ−ク管になる。また、実施例１から４については何れ
も電荷増倍層積層型固体撮像素子の入力面（導電膜）の
前に、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレ−ト）を設ける
ことで、導電膜への入力電流そのものを増倍して、より
一層の高感度化を果すことが可能であるが、画質的には
ＭＣＰによるサンプリングや増倍むら、ＭＣＰ自身のキ
ズなどの影響を受けてかなり劣化する。
【００１５】
【発明の効果】撮像デバイスの高感度化を図る従来技術
の欠点、問題点を解決する方法として、ＩＩ管の出力面
としての蛍光面の除去と、ＩＩ管と撮像デバイスの結合
用として用いたファイバ−プレ−トの除去が考えられ
る。本発明では、これら蛍光面、ファイバ−プレ−トに
代えて、電荷増倍層積層型固体撮像素子をＩＩ管内に封
じ込むことによって解決したものである。これにより、
蛍光面の粒状性、ファイバ−プレ−トに伴う前述のいく
つかの欠点を排除して画像品位が大幅に改善されると共
に、この電荷増倍層内での電子衝撃による大きな信号増
倍と阻止型構造による暗電流低減によって、従来になく
高画質で高感度の撮像デバイスが得られる。
の欠点、問題点を解決する方法として、ＩＩ管の出力面
としての蛍光面の除去と、ＩＩ管と撮像デバイスの結合
用として用いたファイバ−プレ−トの除去が考えられ
る。本発明では、これら蛍光面、ファイバ−プレ−トに
代えて、電荷増倍層積層型固体撮像素子をＩＩ管内に封
じ込むことによって解決したものである。これにより、
蛍光面の粒状性、ファイバ−プレ−トに伴う前述のいく
つかの欠点を排除して画像品位が大幅に改善されると共
に、この電荷増倍層内での電子衝撃による大きな信号増
倍と阻止型構造による暗電流低減によって、従来になく
高画質で高感度の撮像デバイスが得られる。
【図１】本発明による撮像デバイスの第１の実施例の構
成を示す図。
成を示す図。
【図２】本発明の効果を具体的に実証した構成例を示す
図。
図。
【図３】１実験例を示す図。
【図４】本発明の第２実施例を示す図。
【図５】本発明の第３実施例を示す図。
【図６】本発明の第４実施例を示す図。
【図７】従来の構成を示す図。
【図８】従来の構成を示す図。
【図９】従来の構成を示す図。
【図１０】従来の構成を示す図。
【図１１】従来の構成を示す図。
【図１２】従来の構成を示す図。
１…面板 ２…光電面 ３…電極 ４…絶縁物 ５…導電膜 ６…電荷注入阻止層ＩＩ ７…電荷増倍層 ８…電荷注入阻止層Ｉ ９…固体撮像素子 １０…電荷増倍層積層型固体撮像素子 １１…固体撮像素子用パッケ−ジ １２…電界（集束）型ＩＩ管 １３…近接型ＩＩ管 １４…反射防止層 １５…Ｘ線用蛍光面 １６…蛍光面基板 １７…集束電極 １８…陽極 １９…Ｘ線蛍光増倍管 ２０…電子銃 ２１…ＸＹ偏向部 ２２…ファイバ−プレ−ト ２３…蛍光面 ２４…光導電面 ２５…光導電型撮像管 ２６…メタルバック層 ２７…ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレ−ト） ２８…ＭＣＰ用電極端子 ２９…ＭＣＰ入り近接型ＩＩ管 ３０…薄型ファイバ−プレ−ト ３１…薄板ガラス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 順一 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本 放送協会放送技術研究所内 (72)発明者 松沢 幸雄 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 荒木 秀一 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 木下 勝之 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 稲垣 義則 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−290383（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−290384（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 31/50 H04N 5/30
Claims (7)
- 【請求項１】 真空容器の内面に光電子放出のための光
電面を具えた光入力部と、これと対向して導電膜、２層
の電荷注入阻止層および電荷増倍層を積層した固体撮像
素子を配設して電気信号出力部とした撮像デバイスで、
前記電荷増倍層は前記光電面から放出された光電子流の
入射により、その内部にて電荷信号への変換および信号
増倍を行い、前記固体撮像素子は、その増倍された電荷
信号を蓄積後、あるいは直ちに走査・転送によって、電
気信号として取り出す高感度撮像デバイスにおいて、 前記電荷増倍層の両端に前記電荷注入阻止層として電子
または正孔阻止層を設け、当該電荷増倍層として、アモ
ルファスＳｉ、アモルファスＳｉ：Ｈ、アモルファスＳ
ｉ：Ｈ：ＢあるいはアモルファスＧａＡｓを代表とする
ＩＩＩ−Ｖ族のアモルファス化合物を用いたことを特徴
とする高感度撮像デバイス。 - 【請求項２】 前記電荷注入阻止層が、正孔阻止層とし
てＣｅＯ2 、ＧｅＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＳｉＣ、アモルフ
ァスＳｉＣあるいはアモルファスＳｉＮを用いたもの、
電子阻止層としてＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ4 、アモルファスＳ
ｉＣまたはアモルファスＳｉ：Ｎ：Ｈを用いたものであ
る請求項１記載の高感度撮像デバイス。 - 【請求項３】 前記電荷増倍層の膜厚を０．２〜１０μ
ｍとする請求項１、２のいずれか記載の高感度撮像デバ
イス。 - 【請求項４】 前記電荷注入阻止層の膜厚を１０〜１０
００オングストロームとする請求項１、２、３のいずれ
か記載の高感度撮像デバイス。 - 【請求項５】 前記導電膜として、透明なＩＴＯまたは
ＳｎＯ2 あるいは金属Ａｌ膜を用い、その膜厚を５０〜
１０００オングストロームとした請求項１、２、３、４
のいずれか記載の高感度撮像デバイス。 - 【請求項６】 前記導電膜は、この撮像デバイスが前記
光電面と導電膜間の光電子流の集束を近接型にて行う場
合には、光に対して反射防止効果のある黒色層もしくは
多孔質層を導電膜上にさらに積層した請求項５記載の高
感度撮像デバイス。 - 【請求項７】 前記固体撮像素子として、ＣＣＤ型ある
いはＭＯＳ型撮像素子、または内部増幅型撮像素子であ
るＡＭＩ、ＳＩＴ、ＣＭＤを用いる請求項１、２、３、
４、５、６のいずれか記載の高感度撮像デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3213946A JP3017333B2 (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 高感度撮像デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3213946A JP3017333B2 (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 高感度撮像デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0554841A JPH0554841A (ja) | 1993-03-05 |
| JP3017333B2 true JP3017333B2 (ja) | 2000-03-06 |
Family
ID=16647670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3213946A Expired - Lifetime JP3017333B2 (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 高感度撮像デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3017333B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7015452B2 (en) * | 2001-10-09 | 2006-03-21 | Itt Manufacturing Enterprises, Inc. | Intensified hybrid solid-state sensor |
| EP1734583A1 (en) * | 2005-06-14 | 2006-12-20 | Photonis-DEP B.V. | Electron bombarded image sensor array device and its manufactoring method |
-
1991
- 1991-08-26 JP JP3213946A patent/JP3017333B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0554841A (ja) | 1993-03-05 |
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